EMC設計中信號回流的重要性

作者:電工吧 日期:2020-07-14 08:33:50 人氣: 欄目:市場動態

任何注入到系統中的電流最終都要回到源端。因此,信號不僅僅是在信號線上傳播,同時也是在參考平面上傳播,如下圖所示。所以保持參考平面的完整和低阻抗,與保持信號線的完整和低阻抗對系統同樣重要。

EMC設計中信號回流的重要性(圖1)

在傳統的低速設計中,系統中的回路電流沿著最小的電阻路徑回流,而在高速系統中,電流沿著最小的阻抗回路回流。在高頻下,回路的電感表現出的感抗遠遠大于其本身的電阻值,因此最小阻抗路徑也就是最小電感的路徑。通常情況下,最小電感的路徑就在信號線的正下方,如下圖:

EMC設計中信號回流的重要性(圖2)

我們把提供給信號線回路電流的媒介稱作參考平面。在實際系統中,參考平面可以用VCC,也可以用GND,重要的一點是要保證參考平面的連續性。一對差分信號之間可以互為參考,它們對參考平面的依賴沒有那么強。

如果在PCB上,信號的參考平面出現較大的不連續區域,如一條溝壑,那么在這個溝壑處,信號的回路電流無法通過緊貼信號走線線面的路徑傳送,而是必須繞開這個溝壑。這樣就給回流路徑增加了感抗,使得接收端信號的高頻分量衰減嚴重,甚至出現臺階。如下圖:

EMC設計中信號回流的重要性(圖3)

在設計中盡量不要讓信號的回路中存在溝壑,如果溝壑是不可避免的,可以在溝壑的兩端放置一些去耦電容,構成一個跨越溝壑的交流通路,提供給高速的回路電流。 另一種常見的回路不連續的情況是信號在不同參考平面之間切換,同樣會給電源系統引入噪聲。下圖所示為4層PCB結構,信號首先在第一層傳輸,然后通過一個過孔轉到第四層繼續傳輸,第二層和第三層為參考平面。當信號在第一層時,回路電流在信號路徑對面的參考層第二層傳播,當信號在第四層時,回路電流同樣在信號路徑對面的參考層第三層傳輸。那么當信號穿過信號過孔時,回路電流如何從第三層傳到第二層呢?

EMC設計中信號回流的重要性(圖4)

如果參考平面之間沒有直流通路,回路電流只能通過兩個平面之間的容性耦合傳遞。在下圖中,我們可以清楚的看到回路電流是如何從第三層耦合到第二層的。

EMC設計中信號回流的重要性(圖5)

由于平面之間的耦合程度有限,回路電流在躍遷過程中,將遇到較大的阻抗。因此回路電流在這里將在兩個平面上產生一個感應噪聲,傳播到系統的其他地方。由于這個噪聲非常類似于地彈噪聲,因此又將其稱為回路地彈。那么,如何減小回路地彈噪聲呢?

如果這兩個平面具有同樣的電勢,例如它們都是地平面,那么最直接有效的方法就是在信號過孔附近加上幾個地過孔,直接連接兩個平面,如下圖所示,使回路電流就近通過這幾個過孔,保持回路的連續性。

EMC設計中信號回流的重要性(圖6)

如果這兩個平面的電勢不一樣,例如一個是VCC,另一個是GND,那么要減弱這個回路地彈噪聲對電源系統造成的影響,兩個平面之間增加一些去耦電容,為回路電流提供一個低阻抗的瞬態交流回路。

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